濱海農(nóng)區(qū)微咸水-淡水交替灌溉對土壤EC和入滲的影響

朱成立，劉宗瀟，翟亞明，鄭君玉

（1.河海大學，a.南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點實驗室，b.水利水電學院，江蘇 南京 210098）

濱海農(nóng)區(qū)微咸水-淡水交替灌溉對土壤EC和入滲的影響

朱成立1a,1b，劉宗瀟1b，翟亞明1a,1b，鄭君玉1b

（1.河海大學，a.南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點實驗室，b.水利水電學院，江蘇 南京 210098）

以玉米為載體，取濱海農(nóng)區(qū)土壤開展溫室避雨盆栽試驗，采用礦化度為0.2 g/L的自來水配置NaCl溶液，設置了3種（NaCl，分析純）礦化度水平（1 g/L，3 g/L，5 g/L）和3種微咸水-淡水交替灌溉方式（“咸淡淡”，“淡咸淡”，“淡淡咸”），研究灌水礦化度和微咸水-淡水交替灌溉方式對試驗土壤EC及入滲的影響。結果表明：灌水礦化度對土壤EC值有顯著影響，EC值隨著礦化度和土層深度的增加而增加；同一土層深度、相同礦化度、不同微咸水-淡水交替灌溉方式，土壤EC值表現(xiàn)為“咸淡淡”＜“淡咸淡”＜“淡淡咸”。同時土壤的累積入滲量和穩(wěn)定入滲率均有隨礦化度增加而增大的特性；灌水礦化度差異顯著影響土壤穩(wěn)定入滲率，土壤穩(wěn)定入滲率隨灌水礦化度增加而增大；而同一礦化度、不同微咸水-淡水交替灌溉方式處理下，土壤的穩(wěn)定入滲率差異不大。本實驗研究成果可為濱海農(nóng)區(qū)微咸水安全利用與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

微咸水灌溉；礦化度；灌水方式；EC值；累積入滲量；穩(wěn)定入滲率

我國濱海農(nóng)區(qū)分布面積廣，農(nóng)業(yè)發(fā)展?jié)摿薮螅侵匾募Z食生產(chǎn)基地，濱海農(nóng)區(qū)的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展是保障國家糧食安全的重要途徑之一。濱海農(nóng)區(qū)淡水資源短缺，咸水資源豐富，水資源時空分布不均，旱季降雨不足，易造成季節(jié)性干旱。在全球淡水資源緊缺的條件下，微咸水作為緩解農(nóng)田灌溉水資源短缺的重要水源之一，已引起社會各方面的廣泛關注[1]。國內(nèi)外大量研究表明，微咸水用于田間灌溉，可以增加土壤濕度，提供作物生長所需要的水分，同時降低土壤溶液的濃度及滲透壓，從而有利于作物吸收水分。另外，微咸水灌溉也給土壤帶來了鹽分，微咸水的使用會導致土壤中鹽分的累積，從而引起對作物的鹽分脅迫[2]，造成潛在鹽漬化危險[3-4]。玉米對于土壤鹽分脅迫屬于中度敏感[5]。土壤鹽分的增加會致使土壤物理性質改變[6]。土壤入滲率是評價土壤透水性的重要參數(shù)[7]，與土壤質地有直接關聯(lián)。

王詩景等[8]研究了寧夏引黃灌區(qū)微咸水灌溉對土壤水鹽動態(tài)、春小麥產(chǎn)量存在影響。通過試驗得出：0-30 cm土層深度范圍內(nèi)土壤含水率和含鹽量變化范圍較大，而30 cm以下土層的含水率和含鹽量變化相對較小。楊軍等[9]研究了微咸水灌溉對土壤鹽分動態(tài)與作物產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)微咸水灌溉下，施用改良劑能提高土壤滲透性，降低土壤pH值和土壤電導率（EC），降低了土壤含鹽量，同時在試驗周期0-60 cm的土層內(nèi)未出現(xiàn)積鹽現(xiàn)象。劉春成等[10]基于實測資料探討幾種常規(guī)的入滲模型在斥水土壤中的適用性。利用Green-Ampt模型、Philip模型、Kostiakov公式和指數(shù)公式對入滲率與入滲歷時的關系進行擬合，發(fā)現(xiàn)Kostiakov公式更接近于實測值，在后續(xù)的室內(nèi)土柱微咸水入滲試驗中，對比了不同礦化度和斥水程度對兩種土質水鹽運移的影響，證明了不斥水土壤的入滲能力隨礦化度的增加而增加，微咸水入滲后，土壤會產(chǎn)生一定的斥水性，說明微咸水灌溉對鹽漬化土壤的水鹽分布和斥水性均有一定程度的影響。吳忠東和王全九[11]連續(xù)以3 g/L的微咸水對冬小麥進行田間灌溉試驗，發(fā)現(xiàn)連續(xù)利用3 g/L的微咸水灌溉，會造成土壤表層鹽分的累積，尤其在降水量偏少的年度會使作物受到鹽分脅迫。Sameni和Morshedi[12]研究提出土壤鹽分濃度過高會導致土壤中黏粒含量的改變，從而引起土壤飽和導水率的改變。土壤中的鹽分從黏粒的膨脹和分散兩個方面影響土壤入滲性能。由此可見，微咸水灌溉對土壤的影響不僅僅表現(xiàn)為對鹽分的含量及分布的影響，還會對土壤的其他物理性質產(chǎn)生影響。

本文針對不同微咸水灌水礦化度和不同微咸水-淡水交替灌溉方式，研究濱海農(nóng)區(qū)土壤鹽分運移特征、不同處理后整個土層深度的平均累積入滲量，以及不同處理下、不同深度土層的穩(wěn)定入滲率，進而分析灌水礦化度和微咸水-淡水交替灌溉方式兩因素對鹽分分布和入滲的影響，為微咸水的合理利用提供科學依據(jù)。

1 試驗區(qū)概況

試驗于2015年8月初至11月中旬在南京市河海大學江寧校區(qū)節(jié)水園區(qū)移動大棚測坑內(nèi)進行。地處北緯31°43'，東經(jīng)118°46'，試驗區(qū)屬亞熱帶季風性氣候,年平均降雨量1 106.5 mm，年平均蒸發(fā)量900 mm，年平均氣溫15.7 ℃，無霜期為237 d，年平均濕度81%。節(jié)水園區(qū)自來水電導率為387 μs/cm，礦化度約為0.2 g/L，試驗用土取自東臺市弶港農(nóng)場，土壤類型為粘壤質土。為控制灌水量，雨天關棚，非雨天開棚。

因試驗用土是擾動土，經(jīng)過相同的分層壓實裝桶處理，可認為不同處理的前期土壤性質相似，但不同土層深度對土壤物理性質有較大影響。故玉米生育期開始前，在隨機五個桶中分三層取試驗用土，測定各個土層深度處的土壤物理性質指標，結果見表1。

表1 土壤基本理化性質Table 1 Basic physical properties of soil

2 材料與方法

2.1 試驗設計

本試驗為夏玉米盆栽試驗，采用直徑35.5 cm，高50 cm的圓筒，玉米品種為隆平206。采用分層壓實的方式填土裝桶，每千克風干土施用尿素（CO(NH2)2）0.22 g、硫酸鉀（K2SO4）0.09 g，磷酸二氫鉀（KH2PO4）0.25 g，有機肥1.67 g，其中有機肥氮素質量分數(shù)為3.75%。實驗前土壤理化性質見表1。本試驗設微咸水交替灌溉方式和灌水礦化度兩個因素。不同礦化度（1 g/L、3 g/L、5 g/L）的灌溉水均由工業(yè)鹽（NaCl,分析純AR）配置而成，對夏玉米用三種不同組合微咸水交替灌溉方式（“咸淡淡”、“淡咸淡”、“淡淡咸”）進行灌溉，控制三個生育期的咸淡水輪灌，其中的淡水灌溉是用節(jié)水園區(qū)自來水灌溉。試驗共設三個空白，九個處理：T0空白對照；T1僅壯苗期1 g/L微咸水灌溉，此處理其他兩個生育期由節(jié)水園區(qū)自來水灌溉；T2僅壯苗期3 g/L微咸水灌溉；T3僅壯苗期5 g/L微咸水灌溉；T4僅拔節(jié)期1 g/L微咸水灌溉；T5僅拔節(jié)期3 g/L微咸水灌溉；T6僅拔節(jié)期5 g/L微咸水灌溉；T7僅灌漿期1 g/L微咸水灌溉；T8僅灌漿期3 g/L微咸水灌溉；T9僅灌漿期5 g/L微咸水灌溉。每個處理3次重復，隨機排列。其中，壯苗期是八月下旬至九月上旬，拔節(jié)期為九月上旬至九月下旬，灌漿期為九月下旬至十月中旬。三個生育期每桶的灌水量分別為10 L，12 L，13 L。

2.2 觀測項目與方法

2.2.1 土壤EC 試驗后期，利用土鉆分層（0-10 cm，10-25 cm，25-40 cm）取土，將土樣風干，充分研磨后，過1 mm篩，采用5∶1的水土比配制土壤飽和浸滴液，測定土壤飽和浸滴液的電導率EC。

2.2.2 土壤入滲率 采用環(huán)刀法[13]測量土壤毛管充滿水情況下土壤入滲率。環(huán)刀法測量土壤入滲是在裝有原狀土的環(huán)刀上方對接一個空環(huán)刀，從外側用醫(yī)用防水膠帶密封兩個環(huán)刀間的縫隙，利用鐵架臺固定粘結后的雙環(huán)刀，保持環(huán)刀口水平，在土體下方放置漏斗和燒杯，收集穿透土體的水分。試驗用環(huán)刀高5 cm，體積為100 cm3。試驗裝置固定后，向空環(huán)刀內(nèi)加水至與環(huán)刀口水平，待漏斗下方滴下第一滴水開始計時，根據(jù)水分流出的快慢，每隔2、3、5、10、20 min更換漏斗下的燒杯，并分別測量滲水量。試驗過程中，加水保持水層厚度為5 cm處，用溫度計測定入滲水溫度，將測得的滲透速率θ值，換算為10 ℃時的滲透速率K10值。

式中：θ表示滲透測定時的水溫（℃），Kθ是水溫為θ時的滲透速率（mm/min）。

利用SPSS統(tǒng)計軟件對土壤累積入滲量和穩(wěn)定入滲率進行方差分析和顯著性分析。

3 結果與分析

3.1 礦化度和灌水方式對土壤E C值的影響

不同微咸水-淡水交替灌溉方式下土壤EC值差異較小，而礦化度差異會明顯導致土壤EC值產(chǎn)生差異（表2）。EC值大小表現(xiàn)為：“咸淡淡”＜“淡咸淡”＜“淡淡咸”；1 g/L＜3 g/L＜5 g/L。同一礦化度不同微咸水-淡水交替灌溉方式所導致的土壤EC差異主要由各生育期灌水量不同導致的。灌水量較多的生育期，鹽灌處理后帶入土壤中的鹽分也隨之增大。1 g/L時，由于微咸水礦化度值低，不同微咸水-淡水交替灌溉方式對土壤EC值無顯著影響。

表2 不同處理對土壤EC值的影響（μs/cm）Table 2 Effect of treatment on soil EC values

圖1為不同處理下0-40 cm深度土層中鹽分剖面分布情況。從圖中可以看出，整個生育期內(nèi)，使用微咸水灌溉，可以增大土壤EC值，且灌水礦化度越高，土壤EC值越大。0.2 g/L空白對照的土壤EC值則基本穩(wěn)定在150.67 μs/cm左右。鹽分積累會對土壤的物理性質造成影響。

由圖1(a、b、c)可以看出，在0-40 cm土層深度范圍內(nèi)，土壤EC值表現(xiàn)出隨深度增加而增大的趨勢。此現(xiàn)象說明鹽分有向深層土壤淋洗的趨勢。同時，可由圖1(a、b、c)觀察出同一土層深度、不同礦化度處理后的土壤EC值存在明顯差異，EC值有隨礦化度增加而增大的趨勢，這說明灌溉礦化度越大，留存在土壤中的鹽分含量越高。

由圖1(d、e、f)可以看出，相同處理下，土壤EC值依然表現(xiàn)出隨深度增加而增大的趨勢，但相同土層深度處土壤EC值差異不大。相同土層比較下，EC值表現(xiàn)為“咸淡淡”＜“淡咸淡”＜“淡淡咸”。

3.2 微咸水灌溉礦化度對土壤質地的影響

夏玉米盆栽試驗前和其生育期結束后分別取土，用以分析微咸水灌溉對土壤質地產(chǎn)生的影響。試驗共取三層土，取土深度分別為[0，10]，(10，25]，(25，40] cm。算出0-40 cm深度范圍內(nèi)黏粒、粉粒和砂粒各自所占的百分比的平均值P，以便綜合比較土壤質地的變化。圖2為兩次測量結果的對比圖。從圖中可以看出，不同礦化度處理下土壤中的黏粒比重較實驗前均有增加，且礦化度越大，其土壤黏粒比重增加越多。導致此結果可能是微咸水灌溉對土壤結構產(chǎn)生了影響，但亦不能排除施用有機肥對土壤結構產(chǎn)生的影響。本試驗只為一年的試驗數(shù)據(jù)，欲說明此結果還需通過更多后續(xù)實驗。

圖1 不同處理后的土壤EC值剖面分布Fig. 1 Soil EC values of cross-sectional profle under different treatments

圖2 微咸水灌溉后土壤質地分析對比Fig. 2 Comparison of soil texture after saline water irrigation

3.3 礦化度和灌水方式對土壤累積入滲量的影響

為了對比不同礦化度微咸水灌溉對土壤累積入滲量的影響，在玉米生育期結束后，用環(huán)刀取不同礦化度微咸水灌溉條件后的土壤，打開環(huán)刀底蓋，讓其通過濾紙吸水，至環(huán)刀表層土壤濕潤為止，此時的土壤含水量為土壤毛管充滿水時的含水量。點繪其累積入滲量隨時間變化曲線（圖3），由曲線圖可看出，入滲的前170 min內(nèi)，土壤累積入滲量隨時間延長而增加，且累積入滲量均在入滲前期增長較快，隨著入滲時間延長，累積入滲量的增長速率逐漸減緩。在相同入滲時段內(nèi)，0.2 g/L、1 g/L、3 g/L和5 g/L礦化度咸水灌溉處理后土壤的累積入滲量呈依次增加關系。0.2 g/L和1 g/L的微咸水灌溉在入滲初期沒有快速增長階段，5 g/L礦化度微咸水灌溉處理在入滲初期的增長明顯。

圖3 累積入滲量隨時間變化Fig. 3 Cumulative infltration amount versus time

3.4 礦化度和灌水方式對土壤穩(wěn)定入滲率的影響

3.4.1 土壤入滲率擬合 目前，非飽和土壤水分運動和飽和土壤水分運動的研究日益完善[14]，理論性和經(jīng)驗性入滲模型被不斷分析推導出[15]。常用的有Green-Ampt模型、Philip入滲模型、Smith降水入滲模型、Kostiakov公式及指數(shù)模型。劉春成等[10]研究結果表明，Kostiakov公式對斥水性土壤與不斥水性土壤的適用性都較好，因此，本文將玉米生育期結束后的土壤，在不同微咸水-淡水交替灌溉方式及灌水礦化度下，由Kostiakov公式[10]擬合，土壤入滲率相關參數(shù)列于表3。

Kostiakov公式為：

式中：it表示時刻入滲率（mm/min）；t表示入滲歷時（min）；B，c表示入滲參數(shù)。

由表3可以看出，Kostiakov公式在“淡咸淡”和“淡淡咸”這兩種微咸水-淡水交替灌溉方式下適用性較好，R2均在0.87以上。此外，隨灌水礦化度增加，入滲參數(shù)B值隨之增加，說明土壤初始入滲速率隨灌溉水礦化度的增加而增加。

表3 采用Kostiakov公式擬合土壤穩(wěn)定入滲率的相關參數(shù)Table 3 Soil infltration parameters ftted by the Kostiakov equation

表4 不同處理對土壤穩(wěn)定入滲率的影響(mm/min)Table 4 Effect of treatment on soil infltration rate(mm/min)

3.4.2 土壤穩(wěn)定入滲率變化規(guī)律 由表4可以看出，灌水礦化度對土壤穩(wěn)定入滲率影響較大。各處理間土壤穩(wěn)定入滲率呈顯著差異，且隨著灌溉水礦化度的增加，土壤穩(wěn)定入滲率增加；不同灌溉水礦化度可以導致入滲率差異。如0.2 g/L與1 g/L微咸水處理的土壤穩(wěn)定入滲率差異不顯著，與3 g/L，5 g/L灌溉處理的差異顯著；不同微咸水-淡水交替灌溉方式下，1 g/L礦化度處理后的土壤穩(wěn)定入滲率亦均小于0.2 g/L的淡水處理，但0.2 g/L與1 g/L礦化度處理后的土壤穩(wěn)定入滲率差異不顯著。相同微咸水-淡水交替灌溉方式下，灌水礦化度差異顯著影響土壤穩(wěn)定入滲率，土壤穩(wěn)定入滲率隨灌水礦化度增加而增大；同一礦化度、不同微咸水-淡水交替灌溉處理，土壤的穩(wěn)定入滲率相近。

由圖4(a、b、c)可知，同一處理各層土壤的穩(wěn)定入滲率隨土層深度增加而增大，且隨著土層深度增加，入滲的增加幅度呈減小趨勢。而由圖4(d、e、f)可以看出，同一礦化度、不同微咸水-淡水交替灌溉處理后，相同土層的土壤穩(wěn)定入滲率相近。除“咸淡淡”的交替灌溉方式外，其余處理的穩(wěn)定入滲率均隨土層深度增加而增大，且25-40 cm土層深度的土壤穩(wěn)定入滲率與10-25 cm深度的土壤穩(wěn)定入滲率變化值，小于10-25 cm與0-10 cm深度之間的土壤穩(wěn)定入滲率變化值。

綜上，土壤的穩(wěn)定入滲率與土壤EC值變化趨勢相一致。隨著鹽水灌溉總水量的增加，土壤EC值越大，土壤穩(wěn)定入滲率越大。相同處理下，土壤EC值較大的土層深度，土壤穩(wěn)定入滲率相對較大。故推測隨灌水礦化度的增加，土壤穩(wěn)定入滲率增大這一現(xiàn)象是因為鹽分含量及分布對土壤結構產(chǎn)生影響。隨著溶液中鹽分濃度增加，擴散雙電子層會向黏粒表面收縮，土壤顆粒之間排斥力降低，增強土壤膠體的絮凝作用，有利于形成團粒結構，增加土壤導水能力，所以蒸餾水的入滲能力最小。

圖4 不同處理后各土層深度入滲率比較Fig. 4 Soil infltration rates of various depths under different treatments

4 結論

1）灌水礦化度對土壤EC值有顯著影響，EC值隨著礦化度和土層深度的增加而增加，這說明灌溉礦化度越大，留存土壤中的鹽分含量越高。同一土層深度同一礦化度不同微咸水-淡水交替灌溉方式，土壤EC值表現(xiàn)為“咸淡淡”＜“淡咸淡”＜“淡淡咸”，與鹽分累計施入量結果相一致，說明鹽水灌溉總水量越高，土壤EC值越大。

2）在相同入滲時段內(nèi)，土壤累積入滲量隨灌溉水礦化度增加而增加，0.2 g/L和1 g/L的微咸水灌溉在入滲初期沒有快速增長階段，5 g/L礦化度咸水灌溉處理在入滲初期增長明顯。

3）相同灌水方式條件下，礦化度差異顯著影響土壤穩(wěn)定入滲率。在0-5 g/L范圍內(nèi)，隨灌水礦化度的增加，土壤穩(wěn)定入滲率增大；且在0-40 cm土層深度范圍內(nèi)，同一處理各層土壤的穩(wěn)定入滲率有隨土層深度增加而增大的趨勢，但隨土層深度增加，其增加幅度減小。

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（責任編輯：王育花）

Effect of alternative irrigation with brackish and fresh water on soil electrical conductivity and infiltration in coastal farming areas

ZHU Cheng-li1a,1b, LIU Zong-xiao1b, ZHAI Ya-ming1a,1b, ZHENG Jun-yu1b
（1. Hohai University, a. Key Laboratory of Effcient Irrigation-drainage and Agricultural Soil-water Environment in Southern China Ministry of Education, b. College of Water Conservancy and Hydropower, Nanjing, Jiangsu 210098, China）

Pot experiments with corn and coastal agricultural soils were conducted in a greenhouse without exposition to rainfall. Salinity of 0.2 g/L tap water and NaCl solution were used to set up three salinity levels (i.e., 1, 3, and 5 g/L) of saline water. Three types of alternative irrigation modes (“brackish water-fresh water-fresh water”, “fresh water -brackish water-fresh water”, and “fresh water-fresh water-brackish water”) were used to study the effect of water salinity and irrigation mode on soil electrical conductivity (EC) value and infltration. The result showed that salinity had a signifcant infuence on soil EC value, and EC value increased with the increase of salinity and soil depth. Soil EC value ranked in the order of “brackish water-fresh water-fresh water”＜“fresh water-brackish water-fresh water”＜“fresh water-fresh water-brackish water” in terms of alternative irrigation mode. Accumulative soil infltration amount and stable infltration rate also increased with the increase of salinity. Soil stable infltration rate increased with enhanced salinity levels, whereas it was similar under different types of alternative irrigation modes. These results provide scientifc basis for the security of brackish water use and agricultural sustainable development in coastal agriculture.

brackish water irrigation; salinity levels; irrigation methods; EC value; soil cumulative infltration; soil stable infltration rate

ZHAI Ya-ming, E-mail: 20110050@hhu.edu.cn.

S278

A

1000-0275（2017）01-0154-07

10.13872/j.1000-0275.2016.0140

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國家自然科學青年基金項目（51409086）；江蘇省科學技術廳項目（BK20130838）。

朱成立（1967-），男，江蘇寶應人，博士，副教授，碩士生導師，主要從事水土資源規(guī)劃、農(nóng)田灌溉與排水、土地整理節(jié)水灌溉理論與技術等方面的研究，E-mail：clz@hhu.edu.cn；通訊作者：翟亞明（1982-），男，江蘇泰州人，博士，講師，主要從事水土資源規(guī)劃、農(nóng)田灌溉排水、土地整理節(jié)水灌溉理論與技術等方面的研究，E-mail: 20110050@hhu.edu.cn。

2016-04-23，接受日期：2016-09-07

Foundation item: National Natural Science Foundation for Young Scientists of China (51409086); Science Foundation of Jiangsu Province (BK20130838).

Received 23 April, 2016;Accepted 7 September, 2016